“变脸”的引力

齐利

引力变脸一：一张弯曲的膜

进入20世纪，人类对自然的认识不断进步，出现了对引力的新解释。爱因斯坦用广义相对论，对引力的本质作了进一步的分析。

当一个苹果从树枝上脱落，开始自由落体运动时，苹果受到的引力等于重力，我们会发现，苹果的加速度就与质量无关了。把方程两边的惯性质量和引力质量一并约掉，苹果的加速度就等于苹果树所处位置的重力加速度，这就是两个不同质量的铁球能够同时落地的原因。同样，月球围绕地球转，地球围绕太阳转，这些天体在引力场中的运动规律也与自身的质量无关。

爱因斯坦意识到，没有了质量，天体在引力场中的运动好像根本不是什么动力问题，而是一个几何问题了。他认为，所谓的引力，其实并不是两个物体之间存在着神秘的相互作用，而是时空本身的几何属性!

想通了这个道理，爱因斯坦提出了著名的广义相对论。他指出，物质或能量的存在，会扭曲周围的时空，质量或能量越大，周围的时空弯曲的程度就越大。这就好比我们在一张橡皮膜上放一个小铁球，由于铁球的存在，它周围的膜会凹陷下去，橡皮膜这个二维的平面就出现了弯曲。原本膜上有一条直线，在膜发生凹陷后，就变成了一条曲线。

而我们生活在一个空间和时间组成的四维时空中，包括了空间的三个维度和一个时间维度。这样的时空发生弯曲，是我们的直觉不好理解的。但总的规律是，物体在弯曲的时空中运动时，仍然会沿着最短的路线运动，只是我们作为观察者，感觉物体运动的轨道变成了曲线。例如，地球绕太阳运动的轨道看上去是一个椭圆，但是太阳周围的时空已经因为太阳这个大家伙的存在而发生了弯曲。如果我们把弯曲的时空展开、铺平，地球绕太阳的轨道会变成一条直线。

正是因为时空发生了弯曲，所以我们看到了地球绕着太阳运动的现象，就好像是地球受到了太阳的引力作用一样。在爱因斯坦看来，引力并不是物体之间神秘的超距作用，而是一种时空弯曲的现象。物质决定了时空的弯曲程度，弯曲的时空又决定了处于其中的物体会如何运动。

引力变脸二：一种“熵力”

广义相对论对引力的解释的确很成功，可以解释各种与引力相关的自然现象，苹果落地用广义相对论也可以准确地描述。但是，引力还是太奇怪了，自然界中的另外三种力——强力、弱力和电磁力，都可以用描述微观世界的量子力学来很好地描述，可是引力却和量子力学格格不入。比如，当科学家研究黑洞的中心或者宇宙大爆炸的奇点时，这些场合的时空都非常微小，应该可以用量子力学很好地描述状态。但是这些场合中的物质密度又非常非常大，引力非常强，量子力学无能为力。

引力表现得非常宏观，天体的运动符合万有引力定律。可是如果我们试图庖丁解牛地从微观分析引力的本质时，却完全做不到。看来，对于引力的本质，仅仅用时空弯曲来解释，还不那么令人信服。

荷兰理论物理学家弗林德提出了自己的新引力理论。他认为，引力根本不是一种基本力，它其实是一种“现象”，或者说，我们可以把它看作是一种“熵力”。是熵增大的趋势表现出来的一种现象，这才是引力的本质!

引力新说：如何用熵力来重新解释?

先让我们看一看宇宙中的怪兽——黑洞的情况。黑洞引力巨大，甚至连光都逃不出它们的魔爪。每个黑洞都有自己的边界——视界，物质踏入视界一步，就会被吸入黑洞，万劫不复了。从熵的角度看，黑洞吞噬物质的过程，显然是一个熵增的过程。黑洞吃进去的乱七八糟的东西越多，总质量就越大，使得黑洞的表面积也增大。因此，黑洞的熵和它的表面积是成正比的。而且，天文学家可以通过研究黑洞的二维表面，来了解包含了黑洞物质在内的三维空间的性质，三维空间的信息都“记录”在了二维表面上。

黑洞如此，其他物体也一样，某一块空间的全部信息，其实都反映在包裹这块空间的表面上。根据热力学第二定律，物体都有熵增的趋势，而当一个物体接近一块包含着另一个物体的空间时，受此影响，空间表面的熵就会增大，这意味着整个空间的熵也增大了。

换句话说，物体与物体之间自然而然地有相互靠近的趋势，因为这样它们的熵就会增大。物体与物体有相互靠近的趋势，就好像物体与物体之间在相互吸引，就好像它们之间存在一种神秘的、超距的引力!啊，原来引力就是熵力的一种表现而已。

弗林德对熵力进行了深入的研究。他发现，物体或空间的熵是与含有的物质多少有关的，所以质量越大的物体，熵也就越多。而熵力的大小反映了物体或空间中熵的变化程度，熵力是和质量有关系的。从这个角度推导，就会得到牛顿的万有引力定律，力与物体的质量成正比。这个力我们可以叫它引力，当然现在叫它熵力更准确。

原来，宇宙中并没有引力这个东西。